Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut...

Wszechświat cząstek elementarnych dla humanistów

prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Zakład Cząstek i Oddziaływań FundamentalnychInstytut Fizyki Doświadczalnej

Wykład 210 października 2017

A.F.Żarnecki Wszechświat cząstek elementarnych... Wykład 2 1 / 39

Przypomnienie

Budowa materiiCząstki, które obecnie uważamy za fundamentalne (niepodzielne)w ramach tzw. Modelu Standardowego fizyki cząstek

cząstki materiikwarki i leptony

nośniki oddziaływańγ, g , W± i Z ◦

bozon Higgsakonieczny dlaspójności modelu

“Nadaje masy”wszystkim cząstkom


Przypomnienie

Granice stosowalności praw fizyki klasycznej

Współczesna fizyka cząstek opisywana jest w języku Kwantowych TeoriiPola łaczących szczególną teorię względności z mechaniką kwantowąJest to świat bardzo różny od tego do którego jesteśmy przyzwyczajeni...


Wykład 2

1 Foton

2 Promieniotwórczość

3 Jądro atomowe

4 Mechanika kwantowa

5 Promieniowanie kosmiczne

6 Nowe odkrycia


Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Odkrycie fotonu

Efekt fotoelektryczny

Odkryty przez Hertza w 1887:światło wybija elektrony z metaluW 1902 Philipp Lenard pokazał, że efektfotoelektryczny obserwujemy tylko dlawybranych długości fali światła:

Efektu tego nie można byłowytłumaczyć w oparciu ofalową teorię światła!


Odkrycie fotonu

Efekt fotoelektrycznyW roku 1905, Albert Einsteinwysunął hipotezę, że światło jeststrumieniem niepodzielnych kwantówenergii, które dziś nazywamyfotonami.

Energia fotonu:

Eγ = hν =hc

λ

Aby wybić elektron z metalu energiapadającego fotonu, musi być większaod tzw. pracy wyjścia⇒ zależność od długości fali światła

Eblueγ > E green

γ > E redγ


Rozpraszanie Comptona

Arthur Compton 1923Rozpraszanie promieniowania X na krysztale⇒ fotony rozpraszają się naquasi-swobodnych elektronach

Compton wykazał, że fotony niosą nie tylko energię, ale i pęd⇒ zachowują się jak “zwykłe” cząstki


Falowe własności fotonu

Jednocześnie jednak fotony zachowują się jak fale.Świadczą o tym m.in. zjawisko dyfrakcji i interferencji światła.

Ugięcie fal na pojedynczej szczelinie:

Fale na wodzie Światło


Dualizm

W niektórych doświadczeniach światło przejawia naturę falową,w innych z kolei zachowuje się jak strumień cząstek...

Dualizm korpuskularno-falowyAby opisać wyniki eksperymentalne musimy przyjąć że:

światło (każda fala elektromagnetyczna) to strumień fotonówrozchodzenie się światła (ruch fotonów) nie da się jednak opisaćdynamiką Newtona, na podobieństwo “klasycznych” kulek

rozchodzenie się światła opisują równania Maxwella dla falielektromagnetycznejprawdopodobieństwo detekcji fotonu jest proporcjonalne do“klasycznego” natężenia światła

⇒ foton jest cząstką, ale jego ruch nie jest deterministyczny!Zachowanie fotonu opisane jet równaniem falowym...


Dualizm

W niektórych doświadczeniach światło przejawia naturę falową,w innych z kolei zachowuje się jak strumień cząstek...

Dualizm korpuskularno-falowyAby opisać wyniki eksperymentalne musimy przyjąć że:

światło (każda fala elektromagnetyczna) to strumień fotonówrozchodzenie się światła (ruch fotonów) nie da się jednak opisaćdynamiką Newtona, na podobieństwo “klasycznych” kulekrozchodzenie się światła opisują równania Maxwella dla falielektromagnetycznejprawdopodobieństwo detekcji fotonu jest proporcjonalne do“klasycznego” natężenia światła

⇒ foton jest cząstką, ale jego ruch nie jest deterministyczny!Zachowanie fotonu opisane jet równaniem falowym...


Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Promieniotwórczość

Odkrycie H. Becquerel, 1896

Sole uranu emitowały promieniowanie,które zaciemniało płytę fotograficzną.

Becquerel starał się potwierdzić hipotezę,że jest to zjawisko fluorescencji - emisjaindukowana wcześniejszym naświetleniem.Przypuszczano, że “wzbudzony” uran możeemitować promieniowanie X

Najsilniejszym źródłem światła było wtedySłońce.

Niestety pogoda w Paryżu byłanieprzychylna i Becquerel schowałnienaświetlone płyty fotograficzne razem zsolami uranu do szuflady...



Naturalna promieniotwórczość była intensywnie badana na początku XXwieku, wyodrębniono 3 rodzaje promieniowania: α, β i γ.

Rutherford badał przenikliwośćpromieniowania pochodzącego zróżnych źródeł

Okazało się, że różne składowe mogąteż być rozdzielone w polumagnetycznym



1903Nagroda Nobla dla H.Becquerela, M.Sklodowskiej-Curie i P.Curie

E.Rutherford and F.Soddy opublikowali pracę tłumaczącąpromieniotwórczość jako wynik przemiany pierwiastków: jeden rodzaj atomuemituje promieniowanie przemieniając się w atom innego pierwiastka.

promieniowanie α

jądra helu: 2p2n

238

92U →234

90Th + α

promieniowanie β

elektrony (β+ - pozytony)

60

28Co →60

29Ni? + e− ...

promieniowanie γ

wysokoenergetyczne fotony

Ni? → Ni + γ

Choć na początku wciąż zakładano, że atomy są niepodzielne...

Dopiero później zrozumieliśmy prawdziwą naturę promieniowania



1903Nagroda Nobla dla H.Becquerela, M.Sklodowskiej-Curie i P.Curie

E.Rutherford and F.Soddy opublikowali pracę tłumaczącąpromieniotwórczość jako wynik przemiany pierwiastków: jeden rodzaj atomuemituje promieniowanie przemieniając się w atom innego pierwiastka.

promieniowanie α jądra helu: 2p2n238

92U →234

90Th + α

promieniowanie β elektrony (β+ - pozytony)60

28Co →60

29Ni? + e− ...

promieniowanie γ wysokoenergetyczne fotonyNi? → Ni + γ

Choć na początku wciąż zakładano, że atomy są niepodzielne...

Dopiero później zrozumieliśmy prawdziwą naturę promieniowaniaA.F.Żarnecki Wszechświat cząstek elementarnych... Wykład 2 14 / 39

Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Jądro atomowe

Doświadczenie Rutherforda

Rozpraszanie cząstek α na cienkiejzłotej folii

Obserwowano błyski wywoływaneprzez padające cząstki na ekraniescyntylacyjnym - ocena kątarozproszenia

R

E

α

Model Thomsona:cała objętość atomu jednorodnienaładowana dodatnio (“ciasto”), awewnątrz “pływają” elektrony(“rodzynki”).


Jądro atomowe

Doświadczenie RutherfordaWyniki pomiarów przeprowadzonych przez H.Geigera i E.Marsdena (1909):

Oczekiwane Uzyskane


Jądro atomowe

Model Rutherforda (1911)

Rutherford zaproponowałjądrowy model atomu.

Cały dodatni ładunek atomu (10−10

m)skupiony jest w praktycznie punktowym(10

−14m) jądrze otoczonym przez chmurę

elektronów.

α

R

E

Cząstka α zawsze czuje całyładunek dodatni ⇒ dużekąty rozproszenia


Jądro atomowe

Atom Rutherforda

Praktycznie punktowe jądro (dodatnie)otoczone chmurą elektronów (ujemnych).

Biorąc pod uwagę tylko oddziaływanieelektrostatyczne, taki “planetarny” układmógłby być stabilny.

Ale ładunek poruszający się z przyspieszeniem MUSI generować falęelektromagnetyczną (równania Maxwella) ⇒ wypromieniowywać energięElektron powinien spaść na jądro...

Budowy atomu nie można było wytłumaczyć w oparciu o klasyczną fizykę!Potrzebne było nowe spojrzenie...


Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Cząstki i fale

W roku 1923 Louis de Broglie wysunął hipotezę, żewszystkie cząstki powinny przejawiać własności falowe !

Dyfrakcja na strukturach heksagonalnych

Światło Elektrony


Cząstki i fale

Obraz przy przechodzeniu przez cienką folię aluminiową

Promieniowanie X Elektrony

Elektrony zachowują się jak fale !Potwierdzenie hipotezy de Broglie’a.


Mechanika kwantowa

Mechanika klasycznaJeśli znamy dokładnie początkowe położenia i prędkości wszystkichelementów układu (np. planet w Układzie Słonecznym) potrafimyprzewidzieć w jakim stanie będzie się znajdował w przyszłości.

Mechanika kwantowaRuch cząstki to rozchodzenie się “fali prawdopodobieństwa”Falę opisuje tzw. funkcja falowa ψ(~r , t), której ewolucję potrafimy opisaćodpowiednimi równaniami (np. równanie Schrödingera, 1925)

Kwadrat amplitudy funkcji falowej daje nam prawdopodobieństwoznalezienia cząstki w danym miejscu i danej chwili czasu p = |ψ(~r , t)|2

Dopiero dedykowany pomiar może rozstrzygnąć gdzie znajduje się cząstka.Wcześniej możemy tylko "zgadywać"...

Nie możemy dowolnie dokładnie poznać stanu cząstki, np. jednocześniezmierzyć położenie i pęd - zasada nieoznaczoności.


Mechanika kwantowa


Tego typu podejście zawodzi jednak w świecie subatomowym!

Falowa natura cząstek zmusza nas do rezygnacji z podejściadeterministycznego...






Mechanika kwantowa







Mechanika kwantowa

Atom wodoru

Opis klasyczny Opis kwantowy, stan 1s


Mechanika kwantowa

Atom wodoru



Mechanika kwantowa

Atom wodoru

Opis klasyczny Opis kwantowy, stan 2p0


Mechanika kwantowa

Atom wodoru



Mechanika kwantowa

Atom wodoru

Opis klasyczny Opis kwantowy, stan 3d0


Mechanika kwantowa

Atom wodoru



Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Cosmic rays

Już Coulomb zauważył, że nawet najlepiej odizolowane ciała rozładowywałysię po pewnym czasie. Nie potrafił tego wytłumaczyć...

W 1900, Charles Wilson odkrył, że cząsteczki powietrza są częściowozjonizowane. Przypisał to naturalnej promieniotwórczości pierwiastkówznajdujących się w skorupie ziemskiej.

Pierwsze pomiary Theodora Wulfa nawieży Eiffel pokazały jednak, żejonizacja nie maleje z wysokością.

W 1912, Victor Hess pokazał, żejonizacja rośnie z wysokością.


Promieniowanie kosmiczne

Dokładne pomiary przeprowadzone przez Victora Hessa w roku 1913pokazały, że jonizacja rośnie bardzo szybko na wysokościach powyżej 2 km.Jedynym sensownym wytłumaczeniem była obecność promieniowania, któredociera z przestrzeni kosmicznej...

Jednak aż do 1932 roku pozostawało kwestią otwartą czy są to cząstkinaładowane czy promieniowanie gamma...



Pierwotne promieniowanie kosmiczne

Promieniowanie obserwowane pozaatmosferą ziemską (np. satelity, ISS)

Skład (pomijając neutrina):protony (jądra H) ∼ 86%cząstki α (jądra He) ∼ 13%cięższe jądra ∼ 1%neutrony, elektrony, fotony � 1%

Taki jak "skład Wszechświata"...

Przestrzeń kosmiczna wypełniona jest cząstkami o energiach dochodzącychdo 5 · 1019 eV ∼ 10 J (!!!). Wciąż nie rozumiemy skąd pochodzą...



Wtórne promieniowanie kosmiczne

Promieniowanie pierwotne oddziałujew atmosferze Ziemi. Produkowane sąliczne cząstki wtórne, głównie piony ikaony, które nastepnie rozpadają sięprodukując głównie miony, a w dalszejkolejności elektrony.

Docierają do powierzchni Ziemimiony µ± ∼70%elektrony e± ∼25%protony, piony π± ∼3%

Łącznie około 180 na m2 · s

Nie licząc bardzo licznych neutrin,o których jeszcze będzie mowa...


Wykład 2

1 Foton


3 Jądro atomowe



6 Nowe odkrycia


Odkrycie pozytonu

Źródła promieniotwórcze dawały energie tylko do ok. 50 MeV.Dlatego w latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku budowano wieleeksperymentów balonowych wykorzystujących promieniowanie kosmiczne.

Carl Anderson prowadził pomiary balonoweprzy pomocy komorę Wilsona, którąumieścił w silnym polu magnetycznym idodatkowo wstawił w środek cienką płytkęołowianą

W 1932 zaobserwował cząstkę, która miałaładunek dodatni (jak proton), ale masęzbliżoną do masy elektronu.⇒ pozyton (e+)


Odkrycie mionu

W tym samym roku (1932) Paul Kunze z Rostocku zaobserwował cząstkę ododatnim ładunku, ale masie mniejszej od masy protonu i większej od masyelektronu (pozytonu) ⇒ mion

Obserwacja została opublikowana, ale nie została poprawniezinterpretowana...

⇐ mion (µ+)

⇐ elektron (e−)


Odkrycie mionu

W 1936 amerykanscy fizycy Carl D. Anderson i Seth Neddermeyerprzedstawili wyniki pomiaru dużej liczby cząstek promieniowania.

Doszli do wniosku, że wytłumaczenie wyników wymaga istnienia dwóchróżnych typów cząstek:

słabo przenikliwych, zatrzymujących się w 0.7 do 1.5 cm ołowiu⇒ ujemne lub dodatnie elektrony/pozytonybardziej przenikliwe, wolno tracące energię w ołowiuo masie mniejszej niż masa protonu ⇒ nowa cząstka !

Na początku przypuszczano, że jest tocząstka przewidziana przez japońskiegofizyka Yukawa Hideki w 1935, wymagana wjego teorii oddziaływań silnych, wiążącaprotony i neutrony w jądrze atomowym

Ale odkryte cząstki nie oddziaływałydostatecznie silnie z materią...


Odkrycie pionu

W roku 1947, grupa Cecila Powella na Uniwersytecie wBristolu prowadziła badania oddziaływań cząstekpromieniowania kosmicznego w emulsji fotograficznej.

Odkryli, że miony (µ±) są produkowane w rozpadachinnych cząstek, pionów (π±), które żyją jedynie setneczęści mikrosekundy.

Jeden ze zrekonstruowanych przypadków:

π+ −→ µ+ νµ −→ e+ νe ν̄µ νµA.F.Żarnecki Wszechświat cząstek elementarnych... Wykład 2 34 / 39

Pion discovery


Cząstki dziwne

W roku 1948, grupa Powella na Bristol University dokonała kolejnegoodkrycia badając oddziaływania promieniowania kosmicznego w emulsji.

Zaobserwowali rozpad nieznanejcząstki (wlatuje z prawej-górnejstrony) na trzy piony.

K+ → π+ π+ π−

Kaon był pierwszą odkrytą cząstką zrodziny cząstel, które wkrótcezaczęto nazywać “dziwnymi”(strange).


Cząstki dziwne

W październiku 1950, V. D. Hopper i S. Biswas odkryli kolejną dziwną,długożyciową cząstkę, rozpadającą się na proton i pion:

Jej średni czas życiabyl znacznie dłuższyniż oczekiwano

Λ → p + π−

τ ≈ 3 · 10−10s

∆ → p + π−

τ ∼ 10−23s

π− p −→ Λ◦ K ◦


Cząstki dziwne



Λ → p + π−

τ ≈ 3 · 10−10s

∆ → p + π−

τ ∼ 10−23sπ− p −→ Λ◦ K ◦


Cząstki dziwne



Λ → p + π−

τ ≈ 3 · 10−10s

∆ → p + π−

τ ∼ 10−23sπ− p −→ Λ◦ K ◦ −→ π− p π− π+


Cząstki dziwne

Po roku 1950 ruszyła lawina odkryć nowych cząstek(m.in. dzięki wynalezieniu komory pęcherzykowej i synchrotronu)

Można je było pogrupować w multiplety cząstek o podobnych własnościach.

Zaczęło to przypominać układ okresowy pierwiastków.⇒ wskazówka, że należy szukać bardziej fundamentalnego opisu

Dziwność (S) była jednym z kryteriów tej klasyfikacji⇒ podwaliny pod późniejszy rozwój modelu kwarków


Początki fizyki czastek

Wraz z kolejnymi odkryciami naukowymi rozwijane też były nowe technikidetekcji i nowe źródła cząstek

1897 – elektron1905 – foton1911 – jądro atomowe komora mgłowa (Wilsona)1919 – proton1929 – generator Van der Graaff’a1931 – neutron cyklotron Lawrence’a1932 – pozyton generator Cockcroft’a-Walton’a1937 – mion µ±

1947 – pion π±

1949 – kaon K±

1952 – komora pęcherzykowa1955 – synchrotron

⇒ początek nowoczesnej fizyki cząstek

Przyspieszaniem i detekcją cząstek zajmiemy się na kolejnych wykładach...


Początki fizyki czastek

Wraz z kolejnymi odkryciami naukowymi rozwijane też były nowe technikidetekcji i nowe źródła cząstek

1897 – elektron1905 – foton1911 – jądro atomowe komora mgłowa (Wilsona)1919 – proton1929 – generator Van der Graaff’a1931 – neutron cyklotron Lawrence’a1932 – pozyton generator Cockcroft’a-Walton’a1937 – mion µ±

1947 – pion π±

1949 – kaon K±

1952 – komora pęcherzykowa1955 – synchrotron

⇒ początek nowoczesnej fizyki cząstek

Przyspieszaniem i detekcją cząstek zajmiemy się na kolejnych wykładach...A.F.Żarnecki Wszechświat cząstek elementarnych... Wykład 2 39 / 39

Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut...

Documents

Transcript of Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut...